貼片式壓力傳感器溫度響應特性研究

高炳濤 胡鳳巖 孫鳳舉 鐘 山 王慧龍 杜光宇

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

1 引 言

貼片式壓力傳感器是采用薄膜/厚膜/半導體應變電阻為制造工藝，將其制作在彈性元件上組成的壓力傳感器，其構造圖如圖1所示，主要由應變電阻、彈性元件、基座、外殼等組成。貼片式壓力傳感器粘貼在產品表面，實時監測產品表面壓力的變化，主要用于飛行試驗、發動機試驗、風洞試驗等試驗過程，在航空、航天、船舶、兵器等領域廣泛應用，且應用場合普遍處于高低溫環境下，由于貼片式壓力傳感器工作原理是基于壓阻效應，彈性元件及應變電阻受工作環境溫度的改變，相同壓力作用下其輸出會發生改變，因此需對貼片式壓力傳感器溫度響應特性進行研究。

圖1 貼片式壓力傳感器構造圖

2 校準方案及校準裝置

2.1 校準方案

貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準方案如圖2所示，全溫區貼片式壓力傳感器校準腔放置于高低溫試驗箱中以獲取所需的高低溫校準環境，貼片式壓力傳感器放置于全溫區貼片式壓力傳感器校準腔內部，并在腔體上、下、前、后四個位置均勻布置4只溫度傳感器，待4只溫度傳感器達到預定校準溫度并穩定后，以4只溫度傳感器的平均值作為實際校準溫度。利用標準壓力源對全溫區貼片式壓力傳感器校準腔內部施加標準氣體壓力，對貼片式壓力傳感器輸出進行測量，以此完成對貼片式壓力傳感器在(-50～100)℃溫度范圍內特定溫度點下溫度響應特性的校準。

圖2 貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準示意圖

2.2 校準裝置

利用自研的一套貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準裝置對貼片式壓力傳感器在-50℃～100℃溫度范圍內特定溫度點下溫度響應特性進行研究，貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準裝置技術指標如下：

(1)測量范圍：絕壓(2～500)kPa；

(2)壓力測量不確定度：

U

=0.05%(

k

=2)；

(3)密封腔內溫度范圍：(-50～100)℃；

(4)密封腔內溫度均勻度：±1℃；

(5)密封腔內溫度穩定度：±0.5℃。

如圖3所示，貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準裝置包括標準壓力源、高低溫試驗箱、溫度隔離壓力連接管路、全溫區貼片式壓力傳感器校準腔及被校準貼片式壓力傳感器共5部分。其中，標準壓力源用于為貼片式壓力傳感器提供標準壓力值；高低溫試驗箱用于提供高低溫校準環境；全溫區貼片式壓力傳感器校準腔內部放置被校準貼片式壓力傳感器為其提供可靠的密封環境，并在密封腔上、下、前、后四個位置均勻布置4只溫度傳感器對其內部環境溫度進行測量；溫度隔離壓力連接管路實現標準壓力源與密封腔之間的溫度隔離，防止調壓過程中高低溫氣體回流對標準壓力源輸出標準值產生影響，下文對校準裝置各組成部分進行簡單介紹。

圖3 貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準裝置示意圖

2.2.1

標準壓力源

標準壓力源作為貼片式壓力傳感器溫度響應特性校準裝置的壓力發生裝置，為貼片式壓力傳感器校準提供標準壓力值，其主要包括標準絕壓氣體壓力傳感器、壓力調節和控制機構、管路系統以及顯示單元等幾個部分。其中，標準絕壓氣體壓力傳感器采用美國Paroscientific公司6000系列石英晶體諧振式壓力傳感器，為系統提供標準壓力值；壓力調節和控制機構主要由調壓閥、保護閥、管路閥門、以及消聲器等組成，實現對(2～500)kPa.a絕壓壓力的調節和控制，如圖4所示。

圖4 標準壓力源控制氣路組成圖

2.2.2

全溫區貼片式壓力傳感器校準腔

如圖5所示，為全溫區貼片式壓力傳感器校準腔結構，其內腔尺寸直徑φ80mm，高度為110mm，采用紫銅材料加工而成，具有良好的熱傳導性能，確保腔體內的溫度穩定度和均勻性要求，該結構包括接線電路組件、校準腔內壓板、螺紋壓板、環形壓片、大環形密封圈、校準腔腔體和溫度傳感器共七部分，校準腔腔體對稱位置布置4個溫度傳感器，對貼片式壓力傳感器校準時的環境實際溫度進行測量。

圖5 貼片式壓力傳感器校準腔

2.2.3

溫度隔離壓力連接管路

溫度隔離壓力連接管路由壓力螺旋管路、溫度傳感器、恒溫槽組成。實現對標準壓力源與全溫區貼片式壓力傳感器校準腔之間的溫度隔離，防止調壓過程中高低溫氣體回流對標準壓力源輸出標準值產生影響。壓力連接管路設計為螺旋式結構，并將其放置于恒溫水浴中，通過增加表面接觸面積，實現管路熱傳導及壓力調節過程中高低溫氣體溫度影響的隔離。為了對恒溫水浴溫度進行合理設定并對溫度隔離效果測試，在進氣與回氣螺旋管路兩端分別布置溫度傳感器對管路中的氣體溫度進行測量與過程監控監控，如圖6所示。

圖6 溫度隔離壓力連接管路

3 溫度響應特性分析

選取ENDEVCO公司的量程分別為350kPa.a貼片式壓力傳感器(編號：K80084#)分別在20℃、-50℃、50℃、100℃4個溫度校準點進行校準。依據《JJG860-2015壓力傳感器(靜態)檢定規程》對貼片式壓力傳感器輸出進行計算分析，獲得該傳感器在不同校準溫度點下的靈敏度、非線性、遲滯、重復性等指標，結果匯總如表1所示。

表1 不同校準溫度點下貼片式壓力傳感器指標對比表

由表1可知，貼片式壓力傳感器在不同校準溫度點下，非線性、遲滯和重復性技術指標受影響變化不大，而理論零點輸出及靈敏度均產生變化，理論零點輸出與溫度呈現一定的線性關系，線性度約為1%，靈敏度隨溫度變化未呈現一定的線性關系。為了進一步對貼片式壓力傳感器溫度響應特性進行分析，定義熱零點偏差及熱靈敏度偏差參數。

(1)熱零點偏差

在-50℃～100℃溫度范圍內某個校準溫度點，貼片式壓力傳感器輸出零點示值與常溫20℃±2℃下的輸出零點示值之差與常溫20℃±2℃下滿量程輸出值的比值，由于絕壓零點無法獲得，以絕壓2kPa作為貼片式壓力傳感器的近似零點。按公式(1)計算貼片式壓力傳感器熱零點偏差

α

。

(1)

(2)熱靈敏度偏差

在-50℃～100℃溫度范圍內某個校準溫度點下與常溫20℃±2℃相比，貼片式壓力傳感器在各壓力校準點正行程輸出值之差與常溫20℃±2℃下滿量程輸出值的比值。分別按公式(2)、公式(3)計算貼片式壓力傳感器各壓力校準點的熱靈敏度偏移

β

和最大熱靈敏度偏差

β

。

(2)

β

=|

β

|

(3)

式中：

β

——貼片式壓力傳感器的最大熱靈敏度偏差，%FS。

依據公式(1)～(3)對貼片式壓力傳感器熱零點偏差及熱靈敏度偏差進行計算，結果如表2所示。

表2 不同校準溫度點下貼片式壓力傳感器熱零點偏差及熱靈敏度偏差對比表

由上表2可知，貼片式壓力傳感器在不同校準溫度點，熱零點偏差及熱靈敏度偏差與溫度并未呈現一定的線性關系。

4 結束語

通過開展貼片式壓力傳感器溫度響應特性研究，在不同校準溫度點，對貼片式壓力傳感器進行校準，并對校準數據進行分析，結果表明，貼片式壓力傳感器非線性、遲滯和重復性技術指標受溫度影響變化不大，然而，與常溫輸出相比，其工作直線的截距和斜率發生了變化，因此，根據貼片式壓力傳感器實際工作溫度進行校準是確保其輸出精度的有效方法。